本發(fā)明屬于lng發(fā)動(dòng)機(jī)余熱應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種lng發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣重整裝置。

背景技術(shù)：

液化天然氣(lng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的代用燃料，生命周期內(nèi)溫室氣體排放量低，正受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。但天然氣中的主要成分甲烷燃燒速度慢，使純天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒定容度低，導(dǎo)致熱效率不高，并且，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行工況時(shí)易出現(xiàn)稀燃失火等問題，同時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門重疊期，掃氣過程存在天然氣的逃逸，使得hc排放增加，這些問題成為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展阻力。相比之下，氫氣火焰?zhèn)鞑ニ俾士臁⑾”∪紵龢O限高，天然氣摻氫燃燒能加快其火焰?zhèn)鞑ニ俣?，緩解后燃現(xiàn)象，促使天然氣完全燃燒。

研究表明，將天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合廢氣重整再循環(huán)技術(shù)(regr)技術(shù)，將含有未燃性甲烷氣體的部分廢氣混合lng燃料通過重整器產(chǎn)生富氫氣體，重新引入發(fā)動(dòng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的摻氫燃燒，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，并減少hc排放。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對上述技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、易操作且催化效果好的lng發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣重整裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的lng發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣重整裝置，包括筒形反應(yīng)外殼、設(shè)置在所述筒形反應(yīng)外殼前端的中空前端蓋、設(shè)置在所述筒形反應(yīng)外殼后端的中空后端蓋、安裝在所述中空前端蓋中心位置進(jìn)氣孔的進(jìn)氣管、安裝在所述中空后端蓋中心位置出氣孔的廢氣排氣管及內(nèi)置在所述筒形反應(yīng)外殼空腔中的反應(yīng)管束；還包括安裝在所述中空前端蓋內(nèi)腔中的半球形前套、安裝在所述中空后端蓋內(nèi)腔中的半球形后套、襯在所述半球形前套前氣腔內(nèi)的前管板及襯在所述半球形后套后氣腔內(nèi)的后管板；

所述前氣腔內(nèi)的中間位置處軸向布置有將前氣腔分割成進(jìn)氣腔和排氣腔的隔板；所述反應(yīng)管束包括一級反應(yīng)管束和二級反應(yīng)管束，所述一級反應(yīng)管束的一端插入所述前管板且位于所述隔板上方的管孔中，所述一級反應(yīng)管束的另一端插入所述后管板上部的管孔中，所述二級反應(yīng)管束的一端插入所述前管板且位于所述隔板下方的管孔中，所述二級反應(yīng)管束的另一端插入所述后管板下部的管孔中；

所述筒形反應(yīng)外殼空腔內(nèi)軸向布置有至少兩個(gè)環(huán)形折流板，且每個(gè)所述環(huán)形折流板的外徑與所述筒形反應(yīng)外殼的內(nèi)徑相等，所述一級反應(yīng)管束和所述二級反應(yīng)管束均穿過每個(gè)所述環(huán)形折流板；

所述進(jìn)氣管的外管與所述中空前端蓋內(nèi)腔連通，所述進(jìn)氣管的內(nèi)管穿過所述進(jìn)氣孔直至所述內(nèi)管插入所述半球形前套的前氣腔內(nèi)，且所述內(nèi)管位于所述隔板的上方；天然氣加氣管和水蒸氣加氣管均穿過所述外管直至插入所述內(nèi)管內(nèi)；

重整氣排氣管的端部穿過所述中空前端蓋直至插入所述半球形前套的前氣腔內(nèi)，且所述重整氣排氣管位于所述隔板的下方。

進(jìn)一步地，還包括穿過所述中空后端蓋底部直至插入所述半球形后套后氣腔內(nèi)的空氣補(bǔ)充管。

進(jìn)一步地，所述反應(yīng)管束的每個(gè)管內(nèi)堆積有均勻涂覆有重整制氫催化劑ni的氧化鋁顆粒物，每個(gè)所述管外周緣上涂覆有doc催化劑，所述管內(nèi)堆積的均勻涂覆有重整制氫催化劑ni的氧化鋁顆粒物中間留有防止堵塞的通孔；且所述管的內(nèi)徑與涂覆有重整制氫催化劑ni的氧化鋁顆粒物的外徑比為2～3倍。

進(jìn)一步地，所述一級反應(yīng)管束為多根管堆疊成多層結(jié)構(gòu)的一級反應(yīng)管束，所述二級反應(yīng)管束為多根管堆疊成多層結(jié)構(gòu)的二級反應(yīng)管束，且每相鄰所述管之間均留有間隙。

進(jìn)一步地，所述一級反應(yīng)管束與所述二級反應(yīng)管束之間的間隙為1.2～1.7倍。

進(jìn)一步地，所述環(huán)形折流板的個(gè)數(shù)為兩個(gè)，且兩個(gè)所述環(huán)形折流板最小間距為所述筒形反應(yīng)外殼內(nèi)徑的1/3～1/2，兩個(gè)所述環(huán)形折流板最大間距為所述管外徑的171倍的0.7～0.76方。

進(jìn)一步地，兩個(gè)所述環(huán)形折流板之間布置有盤形折流板，所述盤形折流板上開有供所述反應(yīng)管束的管穿過的通孔，且通孔的內(nèi)徑與所述管的外徑相等。

進(jìn)一步地，所述中空前端蓋通過前連接法蘭固定安裝在所述筒形反應(yīng)外殼的前端，所述中空后端蓋通過后連接法蘭固定安裝在所述筒形反應(yīng)外殼的后端。

進(jìn)一步地，所述進(jìn)氣管的端部設(shè)置有用于調(diào)節(jié)所述內(nèi)管廢氣進(jìn)入量的regr閥。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：利用部分廢氣余熱進(jìn)行廢氣重整反應(yīng)，將重整產(chǎn)生的氫氣通入發(fā)動(dòng)機(jī)中，實(shí)現(xiàn)天然氣在線摻氫，有效提高燃料利用率和發(fā)動(dòng)機(jī)效率，實(shí)現(xiàn)較大幅度的節(jié)能與減排；并且采用了雙管程，提高傳熱系數(shù)，從而提高重整的效率；另外，反應(yīng)管束采用管式固定床結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，熱效率大，催化劑可反復(fù)使用，溫度敏感且轉(zhuǎn)化率高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明lng發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣重整裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中前端結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1中后端結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖1中反應(yīng)管束結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為圖4的橫截面示意圖；

圖6為圖4中均勻涂覆有重整制氫催化劑ni的氧化鋁顆粒物示意圖；

圖7為圖6的橫截面示意圖。

圖中各部件標(biāo)號如下：筒形反應(yīng)外殼101、中空前端蓋102(其中：進(jìn)氣孔102a)、中空后端蓋103(其中：出氣孔103a)、前連接法蘭104、后連接法蘭105、進(jìn)氣管106(其中：外管106a、內(nèi)管106b)、廢氣排氣管107、環(huán)形折流板108、regr閥109、天然氣加氣管110、水蒸氣加氣管111、空氣補(bǔ)充管112、重整氣排氣管113、管孔114、前管板115、隔板116、半球形前套117、半球形后套118、后管板119、反應(yīng)管束120(其中：一級反應(yīng)管束120a、二級反應(yīng)管束120b)、均勻涂覆有重整制氫催化劑ni的氧化鋁顆粒物121(其中：通孔121a)、管122、前氣腔123(其中：進(jìn)氣腔123a、排氣腔123b)、后氣腔124、盤形折流板125。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示的lng發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣重整裝置，包括筒形反應(yīng)外殼101、通過前連接法蘭104固定安裝在筒形反應(yīng)外殼101前端的中空前端蓋102、通過后連接法蘭105固定安裝筒形反應(yīng)外殼101后端的中空后端蓋103、安裝在中空前端蓋102中心位置進(jìn)氣孔102a的進(jìn)氣管106、安裝在中空后端蓋103中心位置出氣孔103a的廢氣排氣管107及內(nèi)置在筒形反應(yīng)外殼101空腔中的反應(yīng)管束120，其中，中空前端蓋102為中空圓臺形前端蓋，同理，中空后端蓋103為中空圓臺形后端蓋。

為了降低筒形反應(yīng)外殼101空腔內(nèi)換熱廢氣中污染物的排放量，反應(yīng)管束120的每個(gè)管122內(nèi)均堆積有均勻涂覆有重整制氫催化劑ni的氧化鋁顆粒物121(如圖6所示)，同時(shí)，每個(gè)管122外周緣上涂覆有doc催化劑，減少了換熱廢氣中的一氧化碳和碳?xì)浠锏呐欧?，并且，?22的內(nèi)徑與涂覆有重整制氫催化劑ni的氧化鋁顆粒物121的外徑比為2～3倍，優(yōu)選為2.5倍，可加大重整面積，提高重整效率。本實(shí)施例中，管122內(nèi)堆積的均勻涂覆有重整制氫催化劑ni的氧化鋁顆粒物121中間留有通孔121a，防止堵塞，如圖7所示。(doc催化劑(doc＝dieseloxidationcatalyst)指安裝在柴油車排氣系統(tǒng)中，能通過各種物理化學(xué)作用來降低排氣中污染物排放量的裝置。doc的載體有陶瓷和金屬之分，通常陶瓷是堇青石的，金屬的種類較多，鐵、銅、黃銅等；由于doc與汽油車排氣催化轉(zhuǎn)化器的氧化性功能相同，也用于降低氣態(tài)co、thc以及顆粒物中的sof成分)。

結(jié)合圖2所示，中空前端蓋102內(nèi)腔中嵌入有半球形前套117，半球形前套117的前氣腔123內(nèi)焊接有前管板115，前管板115的外徑不大于半球形前套117的內(nèi)徑，使得前管板115徑向襯在半球形前套117的前氣腔123內(nèi)，同理，結(jié)合圖3所示，中空后端蓋103內(nèi)腔中嵌入有半球形后套118，半球形后套118的后氣腔124內(nèi)焊接有后管板119，后管板119的外徑不大于半球形后套118的內(nèi)徑，使得后管板119徑向襯在半球形后套118的后氣腔124內(nèi)；同時(shí)，前氣腔123內(nèi)的中間位置處軸向布置有將前氣腔123分割成進(jìn)氣腔123a和排氣腔123b的隔板116，即隔板116的邊沿與半球形前套117前氣腔123內(nèi)壁和前管板115表面貼合。

再次如圖2、圖3所示，進(jìn)氣管106的外管106a與中空前端蓋102內(nèi)腔連通，進(jìn)氣管106的內(nèi)管106b穿過進(jìn)氣孔102a直至內(nèi)管106b插入半球形前套117的前氣腔123內(nèi)，且內(nèi)管106b位于隔板116的上方，同時(shí)，進(jìn)氣管106的端部設(shè)置有用于調(diào)節(jié)內(nèi)管重整廢氣進(jìn)入量的regr閥109(regr閥由一個(gè)用于使環(huán)開啟運(yùn)動(dòng)同步把手和阻尼的同步板組成，通過旋轉(zhuǎn)把手控制同步板與進(jìn)氣管的角度以控制進(jìn)入一級反應(yīng)管束的重整廢氣量)；重整氣排氣管113的端部穿過中空前端蓋102直至重整氣排氣管113的端部插入半球形前套117的前氣腔123內(nèi)，且重整氣排氣管113位于隔板116的下方。而天然氣加氣管110和水蒸氣加氣管111均穿過外管106a直至天然氣加氣管110和水蒸氣加氣管111均插入內(nèi)管106b內(nèi)，且與內(nèi)管106b連通，給重整反應(yīng)提供燃料和水。

結(jié)合圖4所示，本實(shí)施例中反應(yīng)管束120包括平行布置的一級反應(yīng)管束120a和二級反應(yīng)管束120b。一級反應(yīng)管束120a和二級反應(yīng)管束120b均穿過至少兩個(gè)環(huán)形折流板108，本實(shí)施例中采用兩個(gè)環(huán)形折流板108，即一個(gè)環(huán)形折流板108套置在反應(yīng)管束120的一側(cè)，另一個(gè)環(huán)形折流板108套置在反應(yīng)管束120的另一側(cè)，并且，每個(gè)環(huán)形折流板108的外徑與筒形反應(yīng)外殼101的內(nèi)徑相等，使得每個(gè)環(huán)形折流板108徑向固定在筒形反應(yīng)外殼101的空腔內(nèi)，從而將反應(yīng)管束120固定安裝在筒形反應(yīng)外殼101的空腔內(nèi)，通過反應(yīng)管束120固定安裝使得半球形前套117和半球形后套118分別固定在中空前端蓋102和中空后端蓋103內(nèi)腔中；同時(shí)，在兩個(gè)環(huán)形折流板108之間布置有盤形折流板125，盤形折流板125上開有供反應(yīng)管束的管穿過的通孔，且通孔的內(nèi)徑與管的外徑相等。另外，本實(shí)施例中，兩個(gè)環(huán)形折流板108最小間距為筒形反應(yīng)外殼101內(nèi)徑的1/3～1/2(一般不小于50mm)，且兩個(gè)環(huán)形折流板108最大間距為管122外徑的171倍的0.7～0.76方(優(yōu)選0.74方)。因此，環(huán)形折流板108和盤形折流板125一方面起到對反應(yīng)管束120的支撐，另一方面，增加筒形反應(yīng)外殼101流體的流速，加強(qiáng)筒形反應(yīng)外殼101與管122內(nèi)之間的換熱，從而提高筒形反應(yīng)外殼101的重整效率。

本實(shí)施例的關(guān)鍵點(diǎn)在于：一級反應(yīng)管束120a的一端插入前管板115且位于隔板116上方的管孔114中，一級反應(yīng)管束120a的另一端插入后管板119上部的管孔114中，使得一級反應(yīng)管束120a位于隔板116的上方位置處；同理，二級反應(yīng)管束120b的一端插入前管板115且位于隔板116下方的管孔114中，二級反應(yīng)管束120b的另一端插入后管板119下部的管孔114中，使得二級反應(yīng)管束120b位于隔板116的下方位置處，從而形成兩級重整反應(yīng)；并且，管孔114的直徑等于管122的外徑，使得重整廢氣只能流入反應(yīng)管束中。然而當(dāng)進(jìn)行二級重整時(shí)，由于一級反應(yīng)管束120a反應(yīng)時(shí)已經(jīng)吸收了換熱廢氣的熱量，導(dǎo)致二級管束120b反應(yīng)時(shí)的熱量和反應(yīng)物均不夠，因此，位于廢氣排氣管117下方且穿過中空后端蓋110底部直至插入半球形后套118后氣腔124內(nèi)的空氣補(bǔ)充管112，通過空氣補(bǔ)充管112向二級反應(yīng)管束120b通入空氣，從而給二級反應(yīng)管束120b提供足夠的熱量。

甲烷作為lng燃料的主要成分，在廢氣重整反應(yīng)管內(nèi)發(fā)生了復(fù)雜的重整過程，其中主要反應(yīng)如下：

ch4+h2o→co+3h2(δh^θ＝+206kj/mol)

ch4+2h2o→co2+4h2(δh^θ＝+165kj/mol)

ch4+0.5o2→co+2h2(δh^θ＝-36kj/mol)

ch4+2o2→co2+2h2o(δh^θ＝-802kj/mol)

ch4+co2→2co+2h2(δh^θ＝+247kj/mol)

co+h2o→co2+h2(δh^θ＝-41kj/mol)

2co→c+co2(δh^θ＝-172kj/mol)

ch4→c+2h2(δh^θ＝+75kj/mol)

因此，制氫反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，廢氣中主要有甲烷、co、水蒸氣和n2，可回收廢氣中的廢熱和甲烷的氧化反應(yīng)作為熱量來源。

結(jié)合圖5所示，一級反應(yīng)管束120a為多根管堆疊成多層結(jié)構(gòu)的一級反應(yīng)管束，本實(shí)施例中采用22根管122堆疊成兩個(gè)正三角形和一個(gè)倒三角形。其中，每個(gè)正三角形由6根管堆疊而成，即第一層3根管、第二層2根管、第三層1根管，且每相鄰兩根管的中心距為管外徑的1.25倍；倒三角形由10根管堆疊而成，即第一層1根管、第二層2根管、第三層3根管、第四層4根管，且每相鄰兩根管的中心距為管外徑的1.25倍。倒三角形布置在兩個(gè)正三角形之間，且兩個(gè)正三角形的第一層管與倒三角形的第一層管在同一平面上，同樣，兩個(gè)正三角形的第二層管和第三層管分別與倒三角形的第二層管和第三層管在同一平面上，且位于兩個(gè)正三角形內(nèi)側(cè)的管與位于倒三角外側(cè)的管之間的中心距均為管外徑的2.5倍。

同理，二級反應(yīng)管束120b也為多根管122堆疊成多層結(jié)構(gòu)的一級反應(yīng)管束，本實(shí)施例中采用22根管堆疊成兩個(gè)倒三角形和一個(gè)正三角形。其中，每個(gè)倒三角形由6根管堆疊而成，即第一層1根管、第二層2根管、第三層3根管，且每相鄰兩根管的中心距為管外徑的1.25倍；正三角形由10根管堆疊而成，即第一層4根管、第二層3根管、第三層2根管、第四層1根管，且每相鄰兩根管的中心距為管外徑的1.25倍。正三角形布置在兩個(gè)倒三角形之間，且兩個(gè)倒三角形的第一層管與正三角形的第一層管在同一平面上，同樣，兩個(gè)倒三角形的第二層管和第三層管分別與正三角形的第二層管和第三層管在同一平面上，且位于兩個(gè)倒三角形內(nèi)側(cè)的管與位于正三角外側(cè)的管之間的中心距均為管外徑的2.5倍。

且一級反應(yīng)管束120a的第一層管與二級反應(yīng)管束120b的第四層管之間的間隙為管外徑的1.2～1.7倍，優(yōu)選1.5倍，即一級反應(yīng)管束的第一層管與二級反應(yīng)管束的第四層管之間的中心距為2.5倍，利于反應(yīng)管束的清洗和拆裝。

工作原理：lng發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的含ch4廢氣分為重整廢氣和換熱廢氣，通過regr閥109調(diào)節(jié)內(nèi)管重整廢氣進(jìn)入內(nèi)管106b的進(jìn)入量，天然氣和水蒸氣分別通過天然氣加氣管110和水蒸氣加氣管111流入內(nèi)管106b中，重整廢氣、天然氣和水蒸氣重整廢氣預(yù)混合后進(jìn)入一級反應(yīng)管束120a，通過催化劑進(jìn)行重整，而換熱廢氣通過外管106a、中空前端蓋102直接進(jìn)入筒形反應(yīng)外殼101中，給一級反應(yīng)管束120a重整提供熱量，換熱后的換熱廢氣最終從廢氣排氣管107排出；重整后的重整氣進(jìn)入后氣腔124，與后氣腔124連通的空氣補(bǔ)充管112通入空氣，空氣中的o2會(huì)與ch4發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生熱量，為后續(xù)二級反應(yīng)管束120b重整提供熱量，一級反應(yīng)管束120a流出的重整氣經(jīng)過后氣腔后通入二級反應(yīng)管束120b進(jìn)行二級重整，重整后到達(dá)排氣腔123b，最后從與排氣腔123b連接的重整氣排氣管113排出。

本發(fā)明的lng發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣重整裝置，利用部分廢氣余熱進(jìn)行廢氣重整反應(yīng)，將重整產(chǎn)生的氫氣通入發(fā)動(dòng)機(jī)中，實(shí)現(xiàn)天然氣在線摻氫，有效提高燃料利用率和發(fā)動(dòng)機(jī)效率，實(shí)現(xiàn)較大幅度的節(jié)能與減排；并且采用了雙管程，提高傳熱系數(shù)，從而提高重整的效率；另外，反應(yīng)管束采用管式固定床結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，熱效率大，催化劑可反復(fù)使用，溫度敏感且轉(zhuǎn)化率高。